CN106544519B - 一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种特种合金精炼技术领域的电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系，其成分和质量百分比为：CaF2:42±3％，Al2O3：20±2％，CaO：30±2％，MgO：2.0±1.0％，TiO2：4.0±1.0％，SiO2：2.0±1.0％。本发明的渣系，不仅可以提高渣系的高温塑性和强度，而且使渣系具有良好的黏度稳定性，有利于抽锭过程的顺利进行；同时，通过降低熔渣中SiO2的活度，能抑制镍基高温合金中Al、Ti的烧损。采用上述配比的渣系，熔炼的镍基高温合金空心钢锭，内外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷，铸锭头尾化学成分均匀，且均在目标范围内，化学成分合格。
Description
技术领域
本发明属于特种合金精炼技术领域，特别涉及一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系及其制备方法。
背景技术
随着我国航空发动机和先进超超临界高压锅炉的发展，对合金管材的高温强度、抗蠕变断裂及耐蚀性能的要求越来越高。传统的奥氏体耐热钢等材料已无法满足实际生产需求，镍基高温合金是制作上述合金管材的理想材料。镍基高温合金是指以镍为基体(镍含量一般大于50％)在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的耐高温、耐氧化和耐腐蚀性能的高温合金。
镍基高温合金作为一种优良的高温合金材料在航空、军工和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘等高温部件上有广泛应用，然而镍基合金具有较高的热变形抗力和较差的热塑性，因此镍基合金管材的生产具有相当难度。传统的镍基合金管材的生产工艺需要经过锻造、冲孔、扩孔、拔长等多道工序，这种工艺不仅加工难度大、废品率高、难以保证管坯的质量，而且材料利用率低造成成本大幅提高。电渣重熔镍基高温合金空心钢锭为管坯的生产直接提供空心钢锭，省去镦粗和冲孔两道工序，具有减少锻造火次，提高合金材料的利用率等优点。此举可大幅减少镍基高温合金管坯的生产周期和生产成本。据统计，使用空心钢锭直接生产筒形大锻件可节约材料费30％、加热费50％、锻造费30％。因此，电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的新技术应运而生。
由于镍基高温合金中含有一定量的易氧化元素如Al、Ti等，这就需要电渣重熔渣系具有防止易氧化元素烧损的作用；同时，电渣重熔镍基高温合金空心钢锭采用的是抽锭工艺，内外结晶器的同时冷却使钢锭的冷却强度大，抽锭速度也要相应提高，这就要求渣系具有较高的高温塑性和强度，防止漏钢和漏渣事故的发生；抽锭过程中，钢锭和结晶器保持相对运动，渣金界面温度场波动，对渣皮厚度的均匀性将产生不利影响，这就要求抽锭渣系具有适当的熔点，适当低的黏度及良好的黏度稳定性，同时，还要求渣系具有一定的润滑能力。而传统的电渣重熔渣系，如70％CaF2+30％Al2O3、60％CaF2+20％CaO+20％Al2O3等通用渣系均无法满足上述需求。现有的高温合金渣系，如德国瓦克公司生产的S2059(CaF2:48±3％，Al2O3：22±2％，CaO：20±2％，MgO：5.0±0.8％，TiO2：3.0±0.6％，SiO2：≤0.6％)，虽然适合于部分含铝钛的高温合金Inconel718，但由于其SiO2≤0.6％，属于“短渣”，渣皮不具有塑性特征，在抽锭过程中润滑效果差，只适合于固定式结晶器，不适合作为抽锭渣系。而现有的抽锭渣系，由于渣中SiO2较高(大于3-5％，甚至更高)，不适于含铝钛的高温合金，会导致铝钛的大量烧损，也不适合高温合金的抽锭电渣重熔过程。因此，开发出适合电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用的渣系是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对目前工艺中传统电渣重熔渣系的不足，本发明的目的是提供一种适用于抽锭式电渣重熔镍基高温合金空心钢锭渣系。通过对渣系成分的设计，可有效减少Al、Ti等易氧化元素的烧损，保证渣系具有较高的高温塑性和强度，防止漏钢和漏渣事故的发生；同时，还能使渣系具有长渣的性质，在抽锭过程中有良好的黏度稳定性，同时起到润滑作用，减少铸锭和结晶器之间的摩擦力，防止钢锭表面产生结疤和重皮等缺陷。
为达到本发明的目的，本发明的一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系的组成和质量百分数为：CaF2:42±3％，Al2O3：20±2％，CaO：30±2％，MgO：2.0±1.0％，TiO2：4.0±1.0％，SiO2：2.0±1.0％。
优选的，所述渣系中CaO/SiO2≥10。
再优选的，所述的镍基合金的成分范围为：C＝0.08，Si＝0.35，Mn＝0.35，S＝0.015，P＝0.015，Cr＝17.0～21.0，Ni＝50.0～55.0，Mo＝2.8～3.3，Co＝1，Al＝0.2～0.8，Ti＝0.65～1.15，Cu＝0.3，余量为Fe。
再优选的，所述的镍基合金的成分范围为：C≤0.10，Si≤0.5，Mn≤0.5，S＝0.015，P≤0.015，Cr＝20.0～23.0，Ni为余量，Mo＝8.0～10.0，Co＝3.15～4.15，Al≤0.4，Ti≤0.4。
再优选的，所述的镍基合金的成分范围为：C＝0.10，Si≤1.0，Mn≤1.5，S＝0.015，Cr＝19.0～23.0，Ni＝30.0～35.0，Al＝0.15～0.60，Ti＝0.15～0.60，Cu≤0.75，Fe≥39.5。
再优选的，所述的镍基合金的成分范围为：C≤0.03，Si≤0.5，Mn≤1.0，S≤0.03，P≤0.03，Cr＝19.5～23.5，Ni＝42～46，Mo＝2.5～3.5，Al＝0.15～0.50，Ti＝1.9～2.4，Cu＝1.5～3.0，Fe＝19.5～30.8。
根据本发明的另一目的，本发明的一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系的制备方法包括如下步骤：
将原料按照上述比例混合后搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1550～1580℃下精炼≥30分钟；
将精炼后的渣液浇铸到铸铁盘内冷却至室温；以及
采用破碎机粉碎并筛出粒度为1～10mm的部分，制成电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用的预熔渣。
本发明的电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系，通过调整渣系成分，不仅使熔渣的黏度随温度下降变化平缓，而且还能提高熔渣的高温塑性和强度，防止漏钢和漏渣事故的发生，有利于抽锭过程的顺利进行。同时，为了抑制Al、Ti等易氧化元素的烧损，在熔渣中添加较高量的CaO降低熔渣中SiO2的活度，同时还添加适量的TiO2，保证凝固铸锭的成分合格。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。其中：
图1所示为本发明的一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系的制备方法工艺流程图。
具体实施方式
本发明的一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系的组成和质量百分数为：CaF2:42±3％，Al2O3：20±2％，CaO：30±2％，MgO：2.0±1.0％，TiO2：4.0±1.0％，SiO2：2.0±1.0％，将上述原料按照图1所示的制备方法制成。制成的所述渣系适用于Inconel718、Inconel625、Incoloy800、Incoloy925镍基高温合金的冶炼，其中Inconel718镍基合金的成分范围为：C＝0.08，Si＝0.35，Mn＝0.35，S＝0.015，P＝0.015，Cr＝17.0～21.0，Ni＝50.0～55.0，Mo＝2.8～3.3，Co＝1，Al＝0.2～0.8，Ti＝0.65～1.15，Cu＝0.3，余量为Fe；Inconel625镍基合金的成分范围为：C≤0.10，Si≤0.5，Mn≤0.5，S＝0.015，P≤0.015，Cr＝20.0～23.0，Ni为余量，Mo＝8.0～10.0，Co＝3.15～4.15，Al≤0.4，Ti≤0.4；Incoloy800镍基的成分范围为：C＝0.10，Si≤1.0，Mn≤1.5，S＝0.015，Cr＝19.0～23.0，Ni＝30.0～35.0，Al＝0.15～0.60，Ti＝0.15～0.60，Cu≤0.75，Fe≥39.5；Incoloy925镍基合金的成分范围为：C≤0.03，Si≤0.5，Mn≤1.0，S≤0.03，P≤0.03，Cr＝19.5～23.5，Ni＝42～46，Mo＝2.5～3.5，Al＝0.15～0.50，Ti＝1.9～2.4，Cu＝1.5～3.0，Fe＝19.5～30.8。
针对电渣重熔镍基高温合金空心钢锭渣系采用抽锭工艺的特点，本发明在渣系中添加了适量的SiO2。这是因为在电渣重熔过程中，SiO2作为酸性氧化物能形成复杂的阴离子团，抑制熔渣冷却过程中矿相的析出，使熔渣的黏度随温度下降变化平缓，具有良好的黏度稳定性，具备长渣的特性。此外，添加SiO2还能提高熔渣的高温塑性和强度，在抽锭时渣皮不容易破裂，有利于抽锭过程的顺利进行。
Inconel718、Inconel625、Incoloy800、Incoloy925镍基高温合金中含有Al、Ti等易氧化元素，为了抑制Al、Ti元素的烧损，本发明添加适量的TiO2，同时添加较高量的CaO，使二元碱度CaO/SiO2≥10，降低熔渣中SiO2的活度。研究表明，当熔渣中含有SiO2时，Al、Ti会发生下列反应：
4[Al]+3(SiO2)＝3[Si]+2(Al2O3)
[Ti]+(SiO2)＝[Si]+(TiO2)
熔渣中加入较高量的CaO时，能显著降低熔渣中SiO2的活度，同时又由于熔渣中加入了Al2O3和TiO2，所以能抑制上述反应的正向进行，防止Al、Ti元素的烧损。
本发明的电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系的使用方法为：首先将预熔的电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系在化渣炉内熔化制成液态炉渣，当熔渣熔清后浇到内外结晶器之间的空腔中，然后开启电渣炉的电源，将由镍基高温合金制作的自耗电极插入到液态熔渣中，自耗电极与熔渣和底水箱构成闭合回路，抽锭式电渣重熔高温合金空心钢锭过程正式开始进行。
下面结合实施例详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的具体实施方式不局限于下述的实施例。
实施例1
采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂、硅石和二氧化钛为原料，按照CaF2:41％，Al2O3：20％，CaO：30％，MgO：2.0％，TiO2：5.0％，SiO2：2.0％的比例混合后并搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1550～1580℃下精炼至少30分钟；然后浇铸到铸铁盘内冷却至室温，并采用破碎机粉碎筛出粒度为1～10mm的部分，制成上述成分含量的电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用的预熔渣供电渣炉使用。
采用上述制备的预熔渣，熔炼Inconel718镍基高温合金空心钢锭的具体步骤是：首先将上述制备的预熔渣在600～700℃下烘烤4小时，然后置于化渣炉内通电熔化，当熔渣熔清后关闭化渣炉电源，将熔渣浇到内外结晶器之间的空腔内；然后开启电渣炉的电源，设定合适的电压和电流，将由Inconel718镍基高温合金制作的自耗电极插入渣池中，自耗电极与熔渣和底水箱构成闭合回路，抽锭式电渣重熔Inconel718镍基高温合金空心钢锭过程开始进行。当熔化的液态金属在结晶器中的高度约为60mm时，开始抽锭。
结晶器尺寸和具体的工艺参数如下：结晶器为T型结晶器，内外结晶器的成型段尺寸为Φ500/Φ900mm，自耗电极尺寸为Φ160mm；预熔渣量要保证结晶器内渣池高度为260～280mm，本实施例用量为370kg；电渣炉正常熔炼电压为65～70V，电流为18～20KA；熔化速率为800～950kg/h；抽锭速度为5～6mm/min；
采用电渣重熔技术制备的Inconel718镍基高温合金空心钢锭，内外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷。对空心钢锭的头、中、尾取样进行成分分析，发现头、中、尾成分均匀，且均在目标范围内，成分合格。
实施例2
采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂、硅石和二氧化钛为原料，按照CaF2:41％，Al2O3：20％，CaO：30％，MgO：2.0％，TiO2：5.0％，SiO2：2.0％的比例混合后并搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1550～1580℃下精炼至少30分钟；然后浇铸到铸铁盘内冷却至室温，并采用破碎机粉碎筛出粒度为1～10mm的部分，制成上述成分含量的电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用的预熔渣供电渣炉使用。
采用上述制备的预熔渣，熔炼Inconel625镍基高温合金空心钢锭的具体步骤是：首先将上述制备的预熔渣在600～700℃下烘烤4小时，然后置于化渣炉内通电熔化，当熔渣熔清后关闭化渣炉电源，将熔渣浇到内外结晶器之间的空腔内；然后开启电渣炉的电源，设定合适的电压和电流，将由Inconel625镍基高温合金制作的自耗电极插入渣池中，自耗电极与熔渣和底水箱构成闭合回路，抽锭式电渣重熔Inconel625镍基高温合金空心钢锭过程开始进行。当熔化的液态金属在结晶器中的高度约为60mm时，开始抽锭。
结晶器尺寸和具体的工艺参数如下：结晶器为T型结晶器，内外结晶器成型段尺寸为Φ450/Φ650mm，自耗电极尺寸为Φ160mm；预熔渣量要保证结晶器内渣池高度为260～280mm，本实施例用量为300kg；电渣炉正常熔炼电压为63～68V，电流为15～18KA；熔化速率为600～700kg/h；抽锭速度为8～10mm/min；
采用电渣重熔技术制备的Inconel625镍基高温合金空心钢锭，内外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷。对空心钢锭的头、中、尾取样进行成分分析，发现头、中、尾成分均匀，且均在目标范围内，成分合格。
实施例3
采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂、硅石和二氧化钛为原料，按照CaF2:41％，Al2O3：20％，CaO：30％，MgO：2.0％，TiO2：5.0％，SiO2：2.0％的比例混合后并搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1550～1580℃下精炼至少30分钟；然后浇铸到铸铁盘内冷却至室温，并采用破碎机粉碎筛出粒度为1～10mm的部分，制成上述成分含量的电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用的预熔渣供电渣炉使用。
采用上述制备的预熔渣，熔炼Incoloy800镍基高温合金空心钢锭的具体步骤是：首先将上述制备的预熔渣在600～700℃下烘烤4小时，然后置于化渣炉内通电熔化，当熔渣熔清后关闭化渣炉电源，将熔渣浇到内外结晶器之间的空腔内；然后开启电渣炉的电源，设定合适的电压和电流，将由Incoloy800镍基高温合金制作的自耗电极插入渣池中，自耗电极与熔渣和底水箱构成闭合回路，抽锭式电渣重熔Incoloy800镍基高温合金空心钢锭过程开始进行。当熔化的液态金属在结晶器中的高度约为60mm时，开始抽锭。
结晶器尺寸和具体的工艺参数如下：结晶器为T型结晶器，内外结晶器的成型段尺寸为Φ200/Φ900mm，自耗电极尺寸为Φ160mm；预熔渣量要保证结晶器内渣池高度为206～280mm，本实施例用量为500kg；电渣炉正常熔炼电压为68～71V，电流为22～25KA；熔化速率为750～850kg/h；抽锭速度为3～5mm/min；
采用电渣重熔技术制备的Incoloy800镍基高温合金空心钢锭，内外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷。对空心钢锭的头、中、尾取样进行成分分析，发现头、中、尾成分均匀，且均在目标范围内，成分合格。
实施例4
采用萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂、硅石和二氧化钛为原料，按照CaF2:41％，Al2O3：20％，CaO：30％，MgO：2.0％，TiO2：5.0％，SiO2：2.0％的比例混合后并搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1550～1580℃下精炼至少30分钟；然后浇铸到铸铁盘内冷却至室温，并采用破碎机粉碎筛出粒度为1～10mm的部分，制成上述成分含量的电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用的预熔渣供电渣炉使用。
采用上述制备的预熔渣，熔炼Incoloy925镍基高温合金空心钢锭的具体步骤是：首先将上述制备的预熔渣在600～700℃下烘烤4小时，然后置于化渣炉内通电熔化，当熔渣熔清后关闭化渣炉电源，将熔渣浇到内外结晶器之间的空腔内；然后开启电渣炉的电源，设定合适的电压和电流，将由Incoloy925镍基高温合金制作的自耗电极插入渣池中，自耗电极与熔渣和底水箱构成闭合回路，抽锭式电渣重熔Incoloy925镍基高温合金空心钢锭过程开始进行。当熔化的液态金属在结晶器中的高度约为60mm时，开始抽锭。
结晶器尺寸和具体的工艺参数如下：内外结晶器的尺寸为Φ100/Φ300mm，自耗电极尺寸为Φ55mm；预熔渣量要保证结晶器内渣池高度为100～150mm，本实施例用量为35kg；电渣炉正常熔炼电压为45～50V，电流为5～6KA；熔化速率为130～180kg/h；抽锭速度为4～6mm/min；
采用电渣重熔技术制备的Incoloy925镍基高温合金空心钢锭，内外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷。对空心钢锭的头、中、尾取样进行成分分析，发现头、中、尾成分均匀，且均在目标范围内，成分合格。
本发明并不局限于所述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神即公开范围内，仍可作一些修正或改变，故本发明的权利保护范围以权利要求书限定的范围为准。
Claims (6)
1.一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系，所述的镍基高温合金中包含元素Al和Ti，其特征在于，所述的渣系的组成和质量百分数为：CaF2:42±3％，Al2O3：20±2％，CaO：30±2％，MgO：2.0±1.0％，TiO2：4.0±1.0％，SiO2：2.0-3.0％；其中，所述渣系中CaO/SiO2≥10。
2.如权利要求1所述的一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系，其特征在于，所述的镍基合金的成分范围为：C＝0.08，Si＝0.35，Mn＝0.35，S＝0.015，P＝0.015，Cr＝17.0～21.0，Ni＝50.0～55.0，Mo＝2.8～3.3，Co＝1，Al＝0.2～0.8，Ti＝0.65～1.15，Cu＝0.3，余量为Fe。
3.如权利要求1所述的一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系，其特征在于，所述的镍基合金的成分范围为：C≤0.10，Si≤0.5，Mn≤0.5，S＝0.015，P≤0.015，Cr＝20.0～23.0，Ni为余量，Mo＝8.0～10.0，Co＝3.15～4.15，Al≤0.4，Ti≤0.4。
4.如权利要求1所述的一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系，其特征在于，所述的镍基合金的成分范围为：C＝0.10，Si≤1.0，Mn≤1.5，S＝0.015，Cr＝19.0～23.0，Ni＝30.0～35.0，Al＝0.15～0.60，Ti＝0.15～0.60，Cu≤0.75，Fe≥39.5。
5.如权利要求1所述的一种电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系，其特征在于，所述的镍基合金的成分范围为：C≤0.03，Si≤0.5，Mn≤1.0，S≤0.03，P≤0.03，Cr＝19.5～23.5，Ni＝42～46，Mo＝2.5～3.5，Al＝0.15～0.50，Ti＝1.9～2.4，Cu＝1.5～3.0，Fe＝19.5～30.8。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用渣系的制备方法，其包括如下步骤：
将原料按照权利要求1所述的比例混合后搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1580℃下精炼≥30分钟；
将精炼后的渣液浇铸到铸铁盘内冷却至室温；以及
采用破碎机粉碎并筛出粒度为1～10mm的部分，制成电渣重熔镍基高温合金空心钢锭用的预熔渣。
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